一、實驗目的
1.學習光電器件的光電特性、伏安特性的測試方法；
2.掌握光電器件的工作原理、適用範圍和應用基礎。
二、實驗內容
1、光電二極體暗電流測試實驗
2、光電二極體光電流測試實驗
3、光電二極體伏安特性測試實驗
4、光電二極體光電特性測試實驗
5、光電二極體時間特性測試實驗
6、光電二極體光譜特性測試實驗
7、光電三極體光電流測試實驗
8、光電三極體伏安特性測試實驗
9、光電三極體光電特性測試實驗
10、光電三極體時間特性測試實驗
11、光電三極體光譜特性測試實驗
三、實驗儀器
1、光電二三極體綜合實驗儀1個
2、光通路元件1套
3、光照度計1個
4、電源線1根
5、2#迭插頭對（紅色，50cm10根
6、2#迭插頭對（黑色，50cm10根
7、三相電源線1根
8、實驗指導書1本
四、實驗原理
1、概述
隨著光電子技術的發發展,光電檢測在靈敏度、光譜響應範圍及頻率我等技術方面要求越來越高，為此，近年來出現了許多效能優良的光伏檢測器，如矽鍺光電二極體、pin光電二極體和雪崩光電二極體（apd）等。光敏電晶體通常指光電二極體和光電三極體，通常又稱光敏二極體和三敏三極體。
光敏二極體的種類很多，就材料來分，有鍺、矽製作的光敏二極體，也有iii－v族化合物及其他化合物製作的二極體。從結構我來分，有pn結、pin結、異質結、肖特基勢壘及點接觸型等。從對光的響應來分，有用於紫外光、紅外光等種類。
不同種類的光敏二極體，具胡不同的光電特性和檢測效能。例如，鍺光敏二極體與矽光敏二極體相比，它在紅外光區域有很大的靈敏度，如圖所示。這是由於鍺材料的禁帶寬度較矽小，它的本徵吸收限處於紅外區域，因此在近紅外光區域應用；再一方面，鍺光敏二極體有較大的電流輸出，但它比矽光敏二極體有較大的反向暗電流，因此，它的雜訊較大。
又如，pin型或雪崩型光敏二極體與擴散型pn結光敏二極體相比具有很短的時間響應。因此，在使用光敏二極體進要了解其型別及效能是非常重要的。
光敏二極體和光電池一樣，其基本結構也是乙個pn結。與光電池相比，它的突出特點是結面積小，因此它的頻率特性非常好。光生電動勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為數微安到數十微安。
按材料分，光敏二極體有矽、砷化鉛光敏二極體等許多種，由於矽材料的暗電流溫度係數較小，工藝較成熟，因此在實驗際中使用最為廣泛。
光敏三極體與光敏二極體的工作原理基本相同，工作原理都是基於內光電效應，和光敏電阻的差別僅在於光線照射在半導體pn結上，pn結參與了光電轉換過程。
2、光電二三極體的工作原理
光生伏特效應：光生伏特效應是一種內光電效應。光生伏特效應是光照使不均勻半導體或均勻半導體中光生電子和空穴在空間分開而產生電位差的現象。
對於不均勻半導體，由於同質的半導體不同的摻雜形成的pn結、不同質的半導體組成的異質結或金屬與半導體接觸形成的肖特基勢壘都存在內建電場，當光照射這種半導體時，由於半導體對光的吸收而產生了光生電子和空穴，它們在內建電場的作用下就會向相反的方向移動和聚集而產生電位差。這種現象是最重要的一類光生伏特效應。均勻半導體體內沒有內建電場，當光照射時，因眼光生載流子濃度梯度不同而引起載流子的擴散運動，且電子和空穴的遷移率不相等，使兩種載流子擴散速度的不同從而導致兩種電荷分開，而出現光生電勢。
這種現象稱為丹倍效應。此外，如果存在外加磁場，也可使得擴散中的兩種載流子向相反方向偏轉，從而產生光生電勢。通常把丹倍效應和光磁電效應成為體積光生伏特效應。
光電二極體和光電三極體即為光電伏特器件。
光敏二極體的結構和普通二極體相似，只是它的pn結裝在管殼頂部，光線通過透鏡製成的視窗，可以集中照射在pn結上，圖2（a）是其結構示意圖。光敏二極體在電路中通常處於反向偏置狀態，如圖2（b）所示。
我們知道，pn結加反向電壓時，反向電流的大小取決於p區和n區中少數載流子的濃度，無光照時p區中少數載流子(電子)和n區中的少數載流子(空穴)都很少，因此反向電流很小。但是當光照pn結時，只要光子能量h大於材料的禁帶寬度，就會在pn結及其附近產生光生電子—空穴對，從而使p區和n區少數載流子濃度大大增加，它們在外加反向電壓和pn結內電場作用下定向運動，分別在兩個方向上渡越pn結，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子—空穴對的濃度將相應變動，通過外電路的光電流強度也會隨之變動，光敏二極體就把光訊號轉換成了電訊號。
光敏三極體有兩個pn結，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極體具有更高的靈敏度。其結構如圖3（a）所示。
當光敏三極體按圖3（b）所示的電路連線時，它的集電結反向偏置，發射結正向偏置，無光照時僅有很小的穿透電流流過，當光線通過透明視窗照射集電結時，和光敏二極體的情況相似，將使流過集電結的反向電流增大，這就造成基區中正電荷的空穴的積累，發射區中的多數載流子(電子)將大量注人基區，由於基區很薄，只有一小部分從發射區注入的電子與基區的空穴復合，而大部分電子將穿過基區流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流。這個過程與普通三極體的電流放大作用相似，它使集電極電流是原始光電流的(l+β )倍。這樣集電極電流將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化。
在光敏二極體的基礎上，為了獲得內增益，就利用了晶體三極體的電流放大作用，用ge或si單晶體製造npn或pnp型光敏三極體。其結構使用電路及等效電路如圖4所示。
圖4 光敏三極體結構及等效電路
光敏三極體可以等效乙個光電二極體與另乙個一般電晶體基極和集電極併聯 ：集電極-基極產生的電流，輸入到三極體的基極再放大。不同之處是，集電極電流（光電流）由集電結上產生的iφ控制。
集電極起雙重作用：把光訊號變成電訊號起光電二極體作用；使光電流再放大起一般三極體的集電結作用。一般光敏三極體只引出e、c兩個電極，體積小，光電特性是非線性的，廣泛應用於光電自動控制作光電開關應用。
3、光電二三極體的基本特性
（1）暗電流
光電二三極體在一定偏壓，當沒有光照的情況下，即黑暗環境中，所測得的電流值即為光電
二、三極體的暗電流。
（2）光電流
光電二極體在一定偏壓，當有光電照的情況下，所測得的電流值即為光電
二、三極體在某特定光照下的光電流。
（3）光照特性
光電二極體在一定偏壓下，當入射光的強度發生變化，通過光電二三極體的電流隨之變化，即為光電
二、三極體的光照特性。反向偏壓工作狀態下，在外加電壓e和負載電阻rl的很大變化範圍內，光電流與入照光功率均具有很好的線性關係；在無偏壓工作狀態下，只有rl較小時光電流與入照光功率成正比，rl增大時光電流與光功率呈非線性關係。
圖5 光電二極體的光照特性
（4）伏安特性
在一定光照條件下，光電
二、三極體的輸出光電流與偏壓的關係稱為伏安特性。光電二極體的伏安特性的數學表示式如下：
i=i0[1－exp (qv/kt)]＋il
其中i0是無光照的反向飽和電流，v是二極體的端電壓（正向電壓為正，反向電壓為負），q為電子電荷，k為波耳茲常數，t為pn結的溫度，單位為k，il為無偏壓狀態下光照時的短路電流，它與光照時的光功率成正比。(光電二極體的伏安特性如下圖所示)
圖6 光電二三極體的伏安特性曲線
（5）響應時間特性
光敏電晶體受調製光照射時，相對靈敏度與調製頻率的關係稱為頻率特性。如圖7所示。減少負載電阻能提高響應頻率，但輸出降低。
一般來說，光敏三極體的頻響比光敏二極體差得多，鍺光敏三極體的頻響比矽管小乙個數量級。
實驗證明，光電器件的訊號的產生和消失不能隨著光強改變而立刻變化，會有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數表示。即當入射輻射到光電探測器後或入射輻射遮斷後，光電探測器的輸出公升到穩定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應時間。為衡量其長短，常用時間常數τ的大小來表示。
當用乙個輻射脈衝光電探測器，如果這個脈衝的上公升和下降時間很短，如方波，則光電探測器的輸出由於器件的惰性而有延遲，把從10%上公升到90%峰值處所需的時間稱為探測器的上公升時間，而把從90%下降到10%所需的時間稱為下降時間。如圖所示
圖7 上公升時間和下降時間
（a）入射光脈衝方波（b）響應時間
（6）光譜特性
一般光電二三極體的光譜響應特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光電二三極體在一定偏壓下所產生光電流與入射光波長之間的關係。一般用相對響應表示，實驗中光電二三極秘的響應範圍為400~1100nm，峰值波長為800~900nm，由於實驗儀器所提供的波長範圍為400~650nm，因此，實驗所測出的光譜響應曲線呈上公升趨勢。
五、注意事項
1、當電壓表和電流錶顯示為「1＿」是說明超過量程，應更換為合適量程；
2、連線之前保證電源關閉。
3、實驗過程中，請勿同時撥開兩種或兩種以上的光源開關，這樣會造成實驗所測試的資料不準確。
4、光電二極體偏壓不要接反。
六、實驗步驟
下面的實驗內容為光電二極體的實驗內容，實驗之前請拆卸結構件，將光電二極體結構件裝入對應光器件插座中。
1、光電二極體暗電流測試
實驗裝置原理框圖如圖8所示，但是在實際操作過程中，光電二極體和光電三極體的暗電流非常小，只有na數量級。這樣，實驗操作過程中，對電流錶的要求較高，本實驗中，採用電路中串聯大電阻的方法，將圖8中的rl改為20m，再利用歐姆定律計算出支路中的電流即為所測器件的暗電流，如圖8所示。
圖8（1）組裝好光通路元件，將照度計顯示表頭與光通路元件照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源調製單元j4與光通路元件光源介面使用彩排資料線相連。
（2）「光源驅動單元」的三擲開關bm2撥到「靜態特性」，將撥位開關s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7均撥下。
（3）「光照度調節」調到最小，連線好光照度計，直流電源調至最小，開啟照度計，此時照度計的讀數應為0。
（4）將電壓表直接與電源兩端相連，開啟電源調節直流電源電位器，使得電壓輸出為15v，關閉電源。
（注意：在下面的實驗操作中請不要動電源調節電位器，以保證直流電源輸出電壓不變）
（5）按圖8所示的電路連線電路圖，負載rl選擇rl15=20m。
（6）開啟電源開關，等電壓表讀數穩定後測得負載電阻rl上的壓降v暗，則暗電流l暗=v暗/rl。所得的暗電流即為偏置電壓在15v時的暗電流.
(注:在測試暗電流時,應先將光電器件置於黑暗環境中30分鐘以上,否則測試過程中電壓表需一段時間後才可穩定)
（7）實驗完畢，直流電源調至最小,關閉電源，拆除所有連線。
2、光電二極體光電流測試
實驗裝置原理圖如圖9所示。
圖9（1）組裝好光通路元件，將照度計顯示表頭與光通路元件照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源調製單元j4與光通路元件光源介面使用彩排資料線相連。
實驗光敏二三極體特性實驗報告
1 實驗目的 了解光敏二極體的光照特性和光敏三極體的光譜特性及伏安特性等基本特性。2 實驗原理 略3 需用器件與單元 主機箱 安裝架 普通光源 各種濾光鏡 光電器件實驗 一 模板 0 12v可調直流電壓源 12v 12v可調直流電壓源 光敏二極體和光敏三極體 4 實驗步驟 1 光敏二極體光照特性的測...
三極體特性實驗報告
篇一 三極體伏安特性測量實驗報告 實驗報告 課程名稱 電路與模擬電子技術實驗 指導老師 乾於 成績實驗名稱 三極體伏安特性測量 實驗型別同組學生姓名 一 實驗目的和要求 必填 二 實驗內容和原理 必填 三 主要儀器裝置 必填 四 操作方法和實驗步驟 五 實驗資料記錄和處理 六 實驗結果與分析 必填 ...
三極體伏安特性測量實驗報告
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